随着影音多媒体的盛行，影像数字化已渐渐成为趋势。数字相机、数字摄影机及影像扫描仪等产品的推出，代表着影像数字化时代的来临。上述产品中，其重要的关键零组件就是面型影像传感器。CCD长期为日商所掌控，其特殊制程之关键技术为日方的重要资产，为日本视讯产业的重要基础之一。我国厂商无法切入进入障碍较高的CCD产业，选择日本较少着力CMOS影像感测组件，近年来在国人的努力下，我国CMOS产业已经逐渐成形。本期将先针对CCD影像感测组件的市场现况作一介绍，并探讨产品发展现况。

面型影像感测组件概述

面型影像感测组件是由二维的感测组件数组构成的，依数组大小，有高、中、低分辨率三个等级之分。低分辨率影像感测组件画素数目在30万以下，主要的应用为安全监控、视频会议、影像电话等，此类传感器亦包含全画面传输(Full Frame Transfer)，分辨率在256*256到512*512之间，应用在工业、科学或低阶数字相机上。过去此类应用以CCD为主，近一、二年来，CMOS传感器在这方面的应用有兴起的趋势。中分辨率感测组件包括30万到300万画素的传感器，最主要的应用为摄录像机(Camcorder)，部份医疗、机器视觉、视讯广播、中高阶数字相机等。高分辨率传感器画素数目在三百万以上，应用在科学研究、军事、专业数字相机等用途上。

感测组件的类型：

若以感测组件的类型分，面型感测组件有CCD、CMOS、CCD/CMOS Hybrid、CID(Charge Injection Device)等多种，其中以CCD的技术最为成熟、应用最为广泛。由于CCD稳定的影像质量，目前CCD仍是中高阶数字相机及数字摄影机的面型影像感测组件主要选择。CMOS技术用在影像感测组件上是最近一、二年才成为可行的事，CMOS因为其低成本、低耗电及系统整合性高的优势，近来多被应用在低阶数字相机、计算机相机及移动电话等产品上。CCD/CMOS Hybrid是将CCD画素与CMOS的控制及读取线路整合在同一片芯片上，结合了CCD及CMOS制程的优点，目前还在发展阶段。CID的优点为抗幅射线性良好，大部份被用在太空及特殊用途的的影像撷取。

面型传感器的应用：

面型影像感测组件从1985年CCD被大量应用在CCTV上开始，演进到现在，影像传感器的应用可说是五花八门，已形成足够的经济规模，吸引厂商努力提升传感器的性能，或开发新类型的传感器，以满足新的应用需求。尤其是在多媒体的应用，如数字相机、数字摄影机等，除了性能上要求高分辨率、逼真的色彩外，还须要小型化及低耗电力化，以配合机器本体轻、薄、短、小及可移植性的需求。未来的影像传感器，则将整合影像辨识或处理的功能，构成所谓的智能型影像传感器。

CCD市场与发展现况

2000年全球面型CCD市场量约为4500万个(图一)，比1999年的3500万个成长了28%。展望未来三到五年，面型CCD的市场需求将以大约20%的年成长率持续成长，其中高、中分辨率CCD需求量将因为数字摄录像机及数字相机的普及而大幅成长，复合年成长率超过两成；低分辨率CCD的市场则由于CMOS影像传感器的兴起，逐年衰退。

《图一 全球CCD市场》

面型CCD是由二维感测组件构成的，其感测基本单元跟线型CCD一样，是MIS结构的电容。曝光时，电容吸收光子而产生电荷，并储存于位井内，曝光完后再以电荷传递的方式，将各电位井内的电荷数一行一行的读出成为电压讯号。

面型CCD电荷传递模式

Interline Transfer模式及Frame Transfer模式可改进Full Frame CCD的缺点；采用Interline传递模式的CCD必须在每一列电容旁制作一列相同但能避光的电容，读取讯号时，先将电荷移至避光的电容内，再将电荷一一读出，同时感光的组件，可接受下个影像的曝光(图二)。Frame传递模式的CCD则需要两组CCD数组，一组用来感光，另外一组避光的用来作电荷传递，感光的CCD曝光后，很快地将电荷一行行地传递到另一组避光CCD上，然后再将电荷读出，同时感光用的CCD可以接受下个影像曝光(。此两种电荷传输方式的缺点是使用的硅芯片面积较大；另外，采用Interline传递模式的CCD，由于每个可感光的画素均要有一个传递电荷用的电容，因此其有效面积较小，感光的灵敏度亦较小。

《图二 面型CCD电荷传递模式》

CCD彩色影像原理

构成CCD的材料为硅半导体，波长从X光到1.1μm的近红外线均能够感光，因此必须要在CCD的画素上加彩色滤光片，才能被用来拍摄彩色的影像。一般的作法是在CCD芯片上以蒸镀方式镀上RGB三原色的滤光薄膜，必须用三个CCD画素才能构成一个彩色影像的画素；另外，为了增加CCD的灵敏度，有些CCD利用透明的树脂在每个画素的位置制作微小透镜(Micro-lens)，以增加感光组件的聚光能力(图三)。

《图三 CCD Micro Lens之结构》

灵敏度、噪声及电荷传递

CCD之所以广泛地被用来作为影像撷取的组件，主要是因为CCD有很好的灵敏度及相当低的噪声，光子进入到空乏区后，其量子效率(一个入射光子所产生的电子数)几可达100%，即使整个组件的效率也可达60-70%；CCD主要噪声的来源为在室温下产生的热电子(Thermal Electron)，在一般的使用亮度下，热电子所产生的噪声几乎可以忽略。

除了灵敏度及噪声外，电荷传递效率(Charge Transfer Efficiency)亦为影响影像质量的重要特性之一。由于CCD的讯号是以扫描方式一行一行地往下传递，然后一个画素接着一个画素地依序读出，离输出放大器较远的画素，电荷必须经过许多次的传递才能被读出，因此电荷传递效率必须非常的高，以避免因为电荷屯积而造成影像Smear。

目前的技术已可做到0.999999，即传递一百万个电子到相邻的电位井时，只有一个电子被留在原来的电位井内。由于CCD采电荷传递方式读取讯号，传感器上每个画素的功能都要完美无缺，否则便无法将画面完整地读出。另外，CCD的反应均匀度、动态范围、平坦度等也会影响影像的质量。

CCD的应用趋势

CCD的发展已有30年的历史，可说是相当成熟的产品，其技术的演进已过了突飞猛进期，目前技术的发展主要在于如何缩小传感器面积、降低生产成本及提高商业用CCD的性能。

CCD的主流应用，正逐渐从模拟摄影机、安全监控摄影机等，演进到数字多媒体应用，如数字摄影机(Digital Video Camcorder)、数字相机(Digital Still Camera,DSC)等，在这些新的应用领域，对CCD的性能要求提升，尤其是在数字相机上的应用，更是要求高画质(高分辨率、色彩逼真)、快速取像、低消耗电力及轻薄短小，使DSC的应用成为商用CCD技术发展的原动力。

1.高精细化：

早期的数字相机分辨率，大都在25万到40万之间，只适于用来作为计算机影像输入的装置，无法取代传统的傻瓜相机，因为打印出来的照片尺寸太小，一般认为数字相机要走入消费性市场，其分辨率至少要在数百万画素以上。由于看好数字相机在消费性市场的潜力，日本三大主要面型CCD制造商Sony、Sharp及Matsushita均采用次微米制程技术，推出低价位的百万画素(Megapixel)级产品。

2.小型化：

可携式数字相机讲求的是轻、薄、短、小，因此CCD在Form Factor上亦往小尺寸发展(表一)，中、低分辨率的CCD尺寸从90年代初期的2/3”发展到目前1/4”(甚至于1/5”)已是很平常的规格，而百万画素级的CCD目前也已经能够做到1/3”的大小。相信随着半导体制程技术的进步(图四)，未来商用CCD的尺寸将继续朝1/8”甚至于1/10”发展。

《表一 CCD芯片尺寸,画素大小与分辨率之关系》

《图四 半导体制程与CCD画素大小之演进》

CCD摄影机小型化另外一个有趣的发展，是将CCD芯片与外围电路整合，松下电子利用Multichip Module的技术，将CCD芯片与外围电路的芯片整合在一块基板上，构成所谓”近似”单芯片摄影机，希望与CMOS的单芯片摄影机相抗衡。

3.方正画素与逐行扫描：

模拟式摄录像机所用的CCD为了配合NTSC/PAL的4:3 Aspect Ratio及隔行扫描(Interlace)信号格式，画素长宽比亦为4:3，且信号读亦采隔行读取的方式，数字相机专用的CCD则强调方正画素及逐行扫描(Progressive Scan)，方正画素可以减少信号处理所需的时间，而逐行扫描则可提升取像的速度。

4.色彩再现性：

配合电视使用的CCD摄录像机，所用的彩色滤光片多为补色型滤光薄膜，因色彩纯度差，拍摄出来的影像色彩饱和度不高(图五)。新发展的CCD改用红、绿、蓝三原色彩色滤光片，可提升影像的色彩再现性。2001年5月CANON推出IXY DIGITAL 200所采用的211万画素CCD，就是采用原色CCD。

《图五 补色型与原色型滤光片之比较》